從零開始學多執行緒之共享物件(二)
想要使用多執行緒程式設計,有一個很重要的前提,那就是必須保證操縱的是執行緒安全的類.
那麼如何構建執行緒安全的類呢? 1. 使用同步來避免多個執行緒在同一時間訪問同一資料. 2. 正確的共享和安全的釋出物件,使多個執行緒能夠安全的訪問它們.
那麼如何正確的共享和安全的釋出物件呢? 這正是這篇部落格要告訴你的.
1. 多執行緒之間的可見性問題.
為什麼在多執行緒條件下需要正確的共享和安全的釋出物件呢?
這要說到可見性的問題:
在多執行緒環境下,不能保證一個執行緒修改完共享物件的資料,對另一個執行緒是可見的.
一個執行緒讀到的資料也許是一個過期資料,這會導致嚴重且混亂的問題,比如意外的異常,髒的資料結構,錯誤的計算和無限的迴圈.
舉個例子:
public class NoVisibility {
private static int num;
private static boolean ready;
private static class RenderThread extends Thread{
@Override
public void run(){
while(!ready){
Thread.yield();
}
System.out.println(
new RenderThread().start()表示建立一個新執行緒,並執行執行緒內的run()方法 ,如果ready的值是false,執行Thread.yield()方法(當前執行緒休息一會讓其他執行緒執行),這時候再交給main方法的主執行緒執行,給num賦值42,ready賦值true,然後在任務執行緒中輸出num的值.因為可見性的問題,任務執行緒可能沒有看到主執行緒對num賦值,而輸出0.
我們接下來來看看釋出物件也會引發的可見性問題.
2. 什麼是釋出一個物件
釋出: 讓物件內被當前範圍之外的程式碼所使用.
public class Publish {
public int num1;
private int num2;
public int getNum2(){
return this.num2;
}
}
無論是 publish.num1 還是 publish.getNum2()哪種方法,只要能在類以外的地方獲取到物件,我們就稱物件被髮布了.
如果一個物件在沒有完成構造的情況下就釋出了,這種情況叫逸出.逸出會導致其他執行緒看到過期值,危害執行緒安全.
常見的逸出的情況:
1.最常見的逸出就是將物件的引用放到公共靜態域(public static Object obj),釋出物件的引用,而在區域性方法中例項化這個物件.
public class Test {
public static Set<Object> set;
public void initialize(){
set = new HashSet<>();
}
}
2.釋出物件的狀態,而且狀態是可變的(沒用final修飾),或狀態裡包含其他的可變資料.
public class UnsafeStates {
private String [] states = new String[]{"a","b","c"};
public String[] getStates(){
return states;
}
}
3.在構造方法中使用內部類. 內部類的例項包含了對封裝實隱含的引用.
public class UnsafeStates {
private Runnable r;
public UnsafeStates() {
r = new Runnable() {
@Override
public void run() { // 內部類在物件沒有構造好的情況下,已經可以this引用,逸出了
// do something;
}
};
}
}
逸出主要會導致兩個方面的問題:
1. 釋出執行緒以外的任何執行緒都能看到物件的域的過期值,因而看到的是一個null引用或者舊值,即使此刻物件已經被賦予了新值.
2. 執行緒看到物件的引用是最新的,但是物件的狀態卻是過期的.我們已經瞭解了逸出的問題,那麼如何安全的釋出一個物件呢?為了安全地釋出物件,物件的引用以及物件的狀態必須同時對其他執行緒可見(也就是說安全釋出就是保證物件的可見性),一個正確建立的物件可以通過下列條件安全釋出:
1. 通過靜態初始化器初始化物件的引用.public class NoVisibility {
public static Object obj = new Object();
}
2. 將它的引用儲存到volatile域或AtomicReference;public class NoVisibility {
public volatile Object obj = new Object();
}
Volatile可以保證可見性.效能消耗也只比非volatile多一點,但是不要過度依賴volatile變數,它比使用鎖的程式碼更脆弱,更難以理解,使用volatile的最佳方式就是用它來做退出迴圈的條件.使用volatile的例子:
public class Cycle {
private boolean condition;
public void loop(){
while (condition){
//do something..
}
}
public void changeCondition(){
if(condition == true){
condition = false;
}else{
condition = true;
}
}
}
3. 將它的引用儲存到正確建立的物件的final域中.public class NoVisibility {
public final Object obj = new Object();
}
4. 或者將它的引用儲存到由鎖正確儲存的域中.public class NoVisibility {
private Hashtable<String,Object> hashtable = new Hashtable<>();
public void setHashtable(){
Object obj = new Object();
hashtable.put("obj",obj);
}
}
不限於HashTable,只要是執行緒安全的容器都行
現在我們瞭解瞭如何安全的釋出一個物件,那麼問題來了,是否所有物件都需要安全釋出?安全釋出的物件是否就是執行緒全的了?
讓我們繼續往下看.
3.如何構建一個執行緒安全的類.我們先來回答上面的第一個疑問,是否所有物件都需要安全釋出?答案都是否定的.要回答這個問題,我們先簡單瞭解一下以下的三種物件:1.不可變物件2.高效不可變物件3.可變物件1.不可變物件:建立後不能被修改的物件叫不可變物件,不可變物件天生是執行緒安全的.不可變物件不僅僅是所有域都是final型別的,只有滿足如下狀態才是不可變物件:1.1 它的狀態不能在建立後改變.(包括狀態包含的其他值也不可做修改,比如狀態是一個集合list,list裡面的值也不可以修改,或者狀態是一個物件,那麼物件的狀態也不更改)1.2.所有域都是final型別的.1.3.它被正確建立(建立期間沒有this引用的逸出)
用高效不可變物件可以簡化開發,並由於減少了同步的使用,還會提高效能.3. 可變物件: 就是可變物件.
下面就是三種物件的釋出機制,釋出物件的必要條件依賴於物件的可變性:
1. 不可變物件可以通過任意機制釋出;
2. 高效不可變物件必須要安全地釋出;
3. 可變物件必須要安全釋出,同時必須要執行緒安全或者是被鎖保護.最後一個問題安全釋出的物件是否就是執行緒全的了?安全釋出只能保證物件釋出時的可見性,所以要保證執行緒的安全就要根據物件的可變性,通過同步+安全釋出來保證執行緒安全.關於同步和執行緒安全的知識可以看我的上一篇部落格這兩篇部落格的知識點加在一起就可以構建執行緒安全類了.在下一篇部落格中,我會為大家介紹一些構建執行緒安全類的模式,這些模式讓類更容易成為執行緒安全的,並且不會讓程式意外破壞這些類的執行緒安全性.本期分享就到這了,我們下篇再見!